專利名稱：永磁體嵌入式旋轉電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種永磁體嵌入式旋轉電機，所述旋轉電機包括具有線圈的定子、 以可旋轉的方式定位在定子內(nèi)的轉子以及作為磁極嵌入在轉子中的多個扁平永磁體。
背景技術：
在此類旋轉電機中，多個永磁體以使任意兩個相鄰永磁體的兩個相鄰磁極不同 的方式在轉子的圓周方向上嵌入在轉子中。兩個相鄰永磁體之間，即在磁極轉換位置 處，發(fā)生磁通密度的迅速變化。結果，發(fā)生扭矩跳動，這在旋轉電機中引起振動和噪 聲。下文將把這種扭矩跳動稱為扭矩脈動。扭矩脈動表示旋轉電機的輸出扭矩的波動范 圍。
日本專利申請公布Νο.20054610Μ公開了一種永磁體旋轉電機，所述旋轉電機 的轉子芯包括位于永磁體的空氣間隙表面中且形成永磁體的磁路的極片；用于產(chǎn)生磁 阻扭矩的、在多個永磁體中的任意兩個相鄰永磁體之間的位置處凸出至空氣間隙表面的 輔助磁極；位于永磁體的抗空氣間隙表面中且形成輔助磁極與永磁體之間的磁路的轉子 軛；以及形成于極片的空氣間隙表面中且平滑地從磁極中心朝向磁極端回退的凹部。為 了抑制扭矩脈動，當定子每極每相的槽數(shù)為2時，形成于磁極中心相反側上的凹部定位 在20°到30°的電角度的范圍內(nèi)，所述電角度始于磁極中心測量。當定子每極每相的槽 數(shù)為1時，形成于磁極中心相反側上的凹部定位在15°到45°的電角度的范圍內(nèi)，所述 電角度始于磁極中心測量。
日本專利申請公布Νο.20054610Μ公開的旋轉電機的電角度范圍在永磁體布置 成V形(或永磁體沒有布置成旋轉對稱)的轉子的情況下是令人滿意的。然而，這種電 角度范圍不能應用于扁平永磁體以塊形布置(或永磁體布置成旋轉對稱的)的轉子。
本發(fā)明涉及一種具有成旋轉對稱的多個扁平永磁體并能夠抑制扭矩脈動的永磁 體嵌入式旋轉電機。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述永磁體嵌入式旋轉電機包括環(huán)形定子、轉子以及多 個扁平永磁體。所述環(huán)形定子在其內(nèi)圓周上具有齒以在所述齒之間限定多個槽。在所述 槽中具有線圈。所述轉子位于所述定子內(nèi)。所述轉子能夠繞軸線旋轉。所述轉子在其 外圍上具有多對凹入部以及多個凸出部。各個所述凸出部位于一對凹入部之間。所述凸 出部的外表面形成于所述凹入部的最深部的徑向外側處。所述一對凹入部在所述轉子的 圓周方向上與另一對凹入部間隔開。所述永磁體以各永磁體彼此間隔開的方式旋轉對稱 地嵌入在所述轉子中。兩個相鄰的永磁體的相對的磁極端形成于相應的所述凹入部的徑 向內(nèi)側處。各永磁體具有在所述磁極端之間的磁極中心。在兩個相鄰的永磁體的相對的 磁極端之間關于所述軸線以一角度位置設置有橋狀件。所述永磁體的磁極端的徑向外側 處的各凹入部定位成在所述轉子的圓周方向上相對于與所述永磁體鄰近的所述橋狀件靠近同一永磁體的磁極中心。
通過下文中以示例方式示出本發(fā)明原理的、參照附圖而進行的描述，本發(fā)明的 其它方面和優(yōu)勢將變得顯而易見。


本發(fā)明及其目標和優(yōu)勢通過參照下文中對當前優(yōu)選實施方式的描述以及通過參 照附圖而會得到最好地理解，在所述附圖中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的永磁體嵌入式旋轉電機的定子和轉子的 橫截面圖2是示出圖1的永磁體嵌入式旋轉電機的轉子的局部放大圖3是示出圖1的永磁體嵌入式旋轉電機的轉子的局部放大圖4是示出圖1的定子和轉子的側視橫截面圖5是示出圖1的定子的立體圖6是解釋圖1的定子中的線圈的波形卷繞的簡化示意圖7A是示出根據(jù)相關技術的永磁體嵌入式旋轉電機的第一比較轉子的局部橫截 面圖7B是示出根據(jù)相關技術的永磁體嵌入式旋轉電機的第二比較轉子的局部橫截 面圖7C是示出第一比較轉子、第二比較轉子以及本實施方式的轉子中的扭矩波動 的圖7D是示出對應于由傅里葉級數(shù)展開獲得的特定階的扭矩脈動比的階分量之間 的比較的柱狀圖8A是示出轉子旋轉位置與作用在一個齒上的力之間的關系的圖8B是示出轉子旋轉位置與總扭矩之間的關系的圖9是示出根據(jù)相關技術的永磁體嵌入式旋轉電機的第三比較轉子的局部橫截 面圖10是示出圖7B的第二比較轉子和圖9的第三比較轉子中的單個齒的磁阻扭矩 的波動的圖IlA是示出圖7B的第二比較轉子和圖9的第三比較轉子中的合成磁阻扭矩的 波動的圖IlB是示出圖7B的第二比較轉子和圖9的第三比較轉子中的磁扭矩的波動的 圖；以及
圖IlC是示出圖7B的第二比較轉子和圖9的第三比較轉子中的合成扭矩波形的 圖。
具體實施方式
下文將參照圖1至IlC描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的永磁體嵌入式旋轉電機。 參照圖1，圖1示出了永磁體嵌入式旋轉電機M，旋轉電機M包括環(huán)形定子11以及定位 在定子11內(nèi)的轉子15。定子11具有環(huán)形定子芯12及線圈13。定子芯12在其內(nèi)圓周上具有多個齒121以及各自形成在任意兩個相鄰齒121之間的槽122。在本實施方式中， 形成有多達十八個的齒121及槽122。槽122在定子芯12的圓周方向上基本以相等間距布置。
如圖4所示，定子芯12由多個層合在一起的芯板14制成。各芯板14由諸如鋼 板等的磁性材料制成。
一般而言，定子槽數(shù)K能夠表示為K = q · ρ · m。其中，ρ(整數(shù))表示極 數(shù)，m(整數(shù))表示相數(shù)，而q表示每相每極的槽數(shù)。槽數(shù)q取0.5增量的值，如q = 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 以此類推。
例如，111=3而9=1時，K=12 則ρ = 4，K= 18 則ρ = 6，或K= M則ρ = 8 等等。此外，m = 3 而 q = 1.5 時，K = 18 則 ρ = 4，K = 27 則 ρ = 6，或 K = 36則ρ = 8等等。在本實施方式中，m=3，K = 18，卩=6而9=1。
如圖5和6所示，線圈13通過在槽122中以波形卷繞方式卷繞導線而形成。線 圈13具有U相線圈13U、V相線圈13V及W相線圈13W。其一端連接于逆變器100的 端子101的U相線圈13U插在一組第一槽122U中。以類似的方式，其一端連接于逆變 器100的端子102的V相線圈13V插在一組第一槽122V中，而其一端連接于逆變器100 的端子103的W相線圈13W插在一組第一槽122W中。線圈13U、13V、13W的實線表 示它們在圖6中設置在定子11的觀察者側。線圈13U、13V、13W的虛線表示它們設置 在定子11的相反側。線圈13U、13V、13W的實線與虛線之間的連接分別插在槽122U、 122V、122W中。線圈13U、13V、13W的另外端部則連接在一起以提供永磁體嵌入式 旋轉電機M的中性點N。
再次參照圖1，轉子15具有轉子芯16、多個第一扁平永磁體17A以及多個第二 扁平永磁體17B。第一永磁體17A及第二永磁體17B交替布置并全都嵌入在轉子芯16 中。如圖1所示，在本實施方式中，設置有總共六個永磁體，包括三個第一永磁體17A 以及三個第二永磁體17B。永磁體17A和17B具有基本相同的形狀和尺寸，并且關于轉 子15的旋轉軸線C旋轉對稱(參照圖4)。
十八個槽122在定子11的圓周方向上基本以等角度間距布置。槽122的角度間 距或者角度寬度θ為20°。角度寬度的中心在轉子15的旋轉軸線C處。
如圖4所示，轉子芯16由多個層合在一起的芯板18制成。各芯板18由諸如鋼 板等的磁性材料制成。轉子芯16在其中心處具有軸孔161，輸出軸(未示出)穿過所述 軸孔延伸并固定。轉子15可沿如圖2所示的箭頭方向Y旋轉。
如圖2所示，轉子芯16具有六個穿過轉子芯16的容納孔162 (僅示出了三個)， 第一永磁體17Α和第二永磁體17Β安裝在所述容納孔中。容納孔162平行于軸孔161延 伸。第一永磁體17Α和第二永磁體17Β布置成使得任意兩個相鄰永磁體17Α和17Β的任 意兩個相鄰磁極具有不同的極性。即，第一永磁體17Α和第二永磁體17Β嵌入在轉子芯 16中從而在轉子15的圓周方向上具有交替不同的極性。
在圖2中，附圖標記171和172指代相反端部、173指代中心、170指代各永磁 體17Α、17Β的極面。附圖標記151指代在垂直于轉子15軸線C延伸的假想平面內(nèi)、與 各永磁體17Α、17Β的磁極面170呈垂直關系、穿過中心173的半徑線。半徑線151從 軸線C延伸并且基本以相對于軸線C的等角度間距(60° )定位。永磁體17Α和17Β與轉子15軸線C基本以相同的距離間隔開，并且在轉子15的圓周方向上基本以相同的間距布置。
如圖2所示，各容納孔162在其相反端部處分別具有與永磁體17A和17B的磁極 端171和172相鄰的第一空氣間隙163A及第二空氣間隙163B。永磁體17A和17B安裝 在容納孔162中時，第一空氣間隙163A及第二空氣間隙163B在各個永磁體17A和17B 的相反端部處形成以便防止磁路短路。
參考符號19A、19B分別指代對應于第一永磁體17A和第二永磁體17B的、在其 中具有半徑線151的、具有角度寬度A的轉子15外圓周的第一和第二圓弧部。各圓弧部 以軸線C為中心并且具有曲率半徑R。永磁體17A和永磁體17B的半徑線151在其中心 191處與圓弧部19A和19B分別相交。第一圓弧部19A和第二圓弧部19B中的各個具有 第一端192以及定位成與第一端192相反的第二端193。延伸至第一圓弧部19A的第一 端192的半徑線152與延伸至第一圓弧部19A的中心191的半徑線151之間的角度寬度 基本等于延伸至第一圓弧部19A的第二端193的半徑線153與延伸至第一圓弧部19A的 中心191的半徑線151之間的角度寬度。延伸至第二圓弧部19B的第一端192的半徑線 152與延伸至第二圓弧部19B的中心191的半徑線151之間的角度寬度基本等于延伸至第 二圓弧部19B的第二端193的半徑線153與延伸至第二圓弧部19B的中心191的半徑線 151之間的角度寬度。即，半徑線151是在轉子15的圓周方向上分別二等分第一圓弧部 19A與第二圓弧部19B的二等分線。此處的術語“二等分”的意思是將第一圓弧部19A 與第二圓弧部19B的角度寬度分成基本相等的兩部分。
對應于第一永磁體17A的第一圓弧部19A與對應于第二永磁體17B的第二圓弧 部19B間隔開。例如，如圖3所示，兩個相鄰圓弧部19A和19B由連接于第一圓弧部 19A的第一凹入部20A、連接于第二圓弧部19B的第二凹入部20B以及連接第一凹入部 20A和第二凹入部20B的凸出部21連接。所述凸出部21位于該對凹入部20A、20B之 間。該對凹入部20A、20B在轉子15的圓周方向上與另一對凹入部20A、20B間隔開。 在本實施方式中，如圖2所示，相對于旋轉方向Y，第一凹入部20A形成在凸出部21的 拖尾側上，而第二凹入部20B則形成在凸出部21的相反的導前側上。如圖2所示，連 接第一凹入部20A和第二凹入部20B的凸出部21由位于上述垂直于軸線C延伸的假想平 面內(nèi)的直線形成。即，凸出部21由平坦表面形成。附圖標記211、212分別指代凸出部 21的第一和第二相反端部212。直線157、158分別連接在軸線C與凸出部21的第一端 211和第二端212之間。兩個相鄰永磁體17A和17B的相對磁極端171和172形成于相 應凹入部20A和20B的徑向內(nèi)側處。
如圖3所示，第一凹入部20A由連接于凸出部21的第一直線22A(平坦部)、連 接于第一圓弧部19A的第一凸出曲線24A(凸曲線部)、以及連接于第一直線22A(平坦 部)和第一凸出曲線24A(凸曲線部)的第一凹入曲線觀人(凹曲線部)形成，所述這些部 分全都位于上述垂直于軸線C延伸的假想平面內(nèi)。第二凹入部20B由連接于凸出部21的 第二直線22B(平坦部)、連接于第二圓弧部19B的第二凸出曲線MB (凸曲線部)、以及 連接于第二直線22B (平坦部)和第二凸出曲線MB (凸曲線部)的第二凹入曲線^B (凹 曲線部)形成，所述這些部分全都位于上述垂直于軸線C延伸的假想平面內(nèi)。
參照圖2，位于垂直于軸線C延伸的假想平面內(nèi)的直線159A是連接凹入部20A7的第一最深部23A和轉子15軸線C的半徑線。位于垂直于軸線C延伸的假想平面內(nèi)的 直線159B是連接凹入部20B的第二最深部23B和轉子15軸線C的半徑線。直線159A 和159B是轉子15的最短半徑。 附圖標記154指代在轉子15的圓周方向上二等分其對應凸出部21的線。此處 的術語“二等分”的意思是劃分凸出部21的角度寬度。各二等分線154是從軸線C延 伸至凸出部21的中心210并位于上述垂直于軸線C的假想平面內(nèi)的直線。各凸出部21 的中心210對應于位于永磁體17A與17B之間的磁極轉換部164。如圖3所示，齒121 與轉子15外圍之間的間隙大于齒121與轉子15的假想圓周E之間的間距。假想圓周E 在轉子15的圓周方向從第一圓弧部19A和第二圓弧部19B延伸。假想圓周E在各第一端192與對應的第二端193之間的部分在中心190處被二等 分。中心190位于二等分線154的延長線上。圖3中示出的距離Dh表示凸出部21的中 心210與假想圓周E的中心190之間的距離。下文將把距離Dh稱為深度。在磁極轉換部164處形成的凸出部21具有基本相同的形狀和尺寸。第一凹入部20A的角度寬度和第二凹入部20B的角度寬度均為θ c。第一凹入 部20Α和第二凹入部20Β關于二等分線154彼此反射對稱(雙側對稱)。如圖3所示，凸出部21形成為徑向向外凸出至位于假想圓周E的徑向內(nèi)側且位 于連接第二圓弧部19Β的第一端192和第一圓弧部19Α的第二端193的假想直線H的徑 向外側的位置。即，凸出部21在假想圓周E與假想直線H之間除去假想圓周E和假想 直線H上的點的范圍內(nèi)徑向向外凸出。相比凹入部20Α的最深部23Α和凹入部20Β的 最深部23Β，凸出部21與軸線C的徑向距離遠。假想直線H位于上述垂直于軸線C延 伸的假想平面內(nèi)。參照圖2，附圖標記165指代從軸線C延伸至凸出部21的直線155與上述第一 空氣間隙163Α的壁表面之間的相交點。附圖標記166指代從軸線C延伸至凸出部21的 直線156與第二空氣間隙163的壁表面之間的相交點。這些相交點在下文中將分別稱為 起始點165和166。現(xiàn)在解釋起始點165和166。圖2中示出的對應于與第一永磁體17Α相鄰的第一 空氣間隙163Α的起始點165和同樣在圖2中示出的對應于與第二永磁體17Β相鄰的第二 空氣間隙163Β的起始點166將被用來解釋。起始點165 (在本說明中以Pl指代但未在附 圖中示出)是當凸出部21徑向向內(nèi)移動時凸出部21與同第一永磁體17Α相鄰的第一空氣 間隙163Α壁表面首先接觸的點。起始點166(在本說明中以Ρ2指代但未在附圖中示出) 是當凸出部21徑向向內(nèi)移動時凸出部21與同第二永磁體17Β相鄰的第二空氣間隙163Β 壁表面首先接觸的點。取決于容納孔162(空氣間隙163Α和163Β)的形狀，例如，當徑向向內(nèi)移動的 凸出部21與容納孔162(空氣間隙163Α和163Β)的壁表面線性重疊時，可出現(xiàn)多于一個 或無限數(shù)量的點Pl或Ρ2。在這種情況下，多于一個或無限數(shù)量的點可以作為第一點165 的可用的選擇，即，候選點XI。類似地，多于一個或無限數(shù)量的點可以作為第二點166 的可用的選擇，即，候選點Χ2。在這些情況下，關于軸線C在其間形成最大角度寬度的 點Xl和Χ2分別用作起始點165和166。所有起始點165和166如此指定。圖2中示出的9 b表示連接軸線C和起始點165的直線155與連接軸線C與起始點166的直線156之間的角度寬度。S卩，θ b表示起 始點165和166相對于軸線C形成的角度寬度。下文中將把角度寬度θ b稱為橋狀件間 角9b。橋狀件間角9 b所說的橋狀件25指位于任意兩個相鄰永磁體17A、17B之間且 位于定位在磁極轉換部164相反側上的兩個空氣間隙163A、163B的徑向外側的范圍。 橋狀件25關于轉子15軸線C的角度位置(形成于直線155與156之間)在凸出 部21關于軸線C的角度位置(形成于直線157與158之間)的范圍內(nèi)變化。例如，如圖 3所示，對應于第一磁極端171的第一凹入部20A在轉子15的圓周方向上觀察時定位成 相對于橋狀件25靠近第一永磁體17A的磁極中心173。對應于第二磁極端172的第二凹 入部20B在轉子15的圓周方向上觀察時定位成相對于橋狀件25靠近第二永磁體17B的 磁極中心173。即，在轉子15的圓周方向上觀察時，相對于對應于一對空氣間隙163A和163B 的橋狀件，對應于兩個相鄰磁極端171和172中的一個的凹入部(20A或20B)定位成靠 近具有該一個磁極端(171或172)的永磁體(17A或17B)的磁極中心173。該對空氣間 隙163A和163B用于防止磁通短路。參見圖2和3，參考符號θ 1、θ 2、θ al> θ bl> θ a2、θ b2表示電角度。在 極數(shù)為6而槽數(shù)為18的本實施方式中，電角度是轉子15旋轉角度的3倍大。從沿與旋 轉方向Y相反的方向最靠近第一端211的半徑線151 ( 二等分圖2和圖3中的第二圓弧部 19B)起測量時，凸出部21第一端211的電角度9bl在70°到80°的范圍內(nèi)。從沿旋 轉方向Y最靠近第二端212的半徑線151 ( 二等分圖2和圖3中的第一圓弧部19A)起測 量時，凸出部21第二端212的電角度9al在70°到80°的范圍內(nèi)。在本實施方式中，0al = ebl( = θ 1)。即，在極數(shù)為6而槽數(shù)為18的本實 施方式中，從穿過第一永磁體17A和第二永磁體17B的磁極中心173并且最靠近第一端 211和第二端212的半徑線151起測量時，電角度Θ1在70°到80°的范圍內(nèi)。從沿旋轉方向Y最靠近第二最深部23B的半徑線151 (二等分圖2和圖3中的第一 圓弧部19A)起測量時，第一凹入部20A的第一最深部23A的電角度θ a2在(θ 1-10° ) 到θ 1的范圍內(nèi)。從沿與旋轉方向Y相反的方向最靠近第二最深部23Β的半徑線151( 二 等分圖2和圖3中的第二圓弧部19Β)起測量時，第二凹入部20Β的第二最深部23Β的電 角度θ a2在(θ 1-10° )到Θ1的范圍內(nèi)。在本實施方式中，θ a2 = θ b2 ( = θ 2)。即，在極數(shù)為6而槽數(shù)為18的本實 施方式中，從穿過第一永磁體17Α和第二永磁體17Β的磁極中心173并且最靠近第一端 211和第二端212的半徑線151起測量時，凹入部20Α和20Β的最深部23Α和23Β的電 角度θ 2在(θ 1-10° )到Θ1的范圍內(nèi)。圖7Α示出了其橫截面中的外圍由具有曲率半徑R的假想圓周E形成的第一比較 轉子15Α。圖7Β示出了具有通過連接三條直線HI、H2及H3而形成的凸出部26的第 二比較轉子15B。圖7C的曲線Tl示出了使用圖7A的第一比較轉子15A的旋轉電機的總扭矩的 扭矩比(表示為瞬時扭矩除以平均扭矩)。圖7C的曲線T2示出了使用圖7B的第二比較 轉子15B的旋轉電機的總扭矩的扭矩比(表示為瞬時扭矩除以平均扭矩)。圖7C的曲線 To示出了使用本實施方式的轉子15的旋轉電機的總扭矩的扭矩比(表示為瞬時扭矩除以平均扭矩)。在使用本實施方式的轉子15的旋轉電機中，扭矩波動(扭矩脈動)最小。圖7D的柱狀圖示出了在扭矩脈動比的階分量和總扭矩的扭矩脈動比方面，使用 圖7A的第一比較轉子15A、圖7B的第二比較轉子15B和本實施方式的轉子15的旋轉電 機之中的比較。扭矩脈動比的階分量對應于由總扭矩的扭矩比的波形的傅里葉級數(shù)展開 而獲得的特定階。柱Lll、L12、L13、L14及L15的長度表示使用第一比較轉子15A的 旋轉電機的扭矩脈動比。柱L21、L22、L23、L24及L25的長度表示使用第二比較轉子 15B的旋轉電機的扭矩脈動比。柱Lol、Lo2、Lo3、Lo4及Lo5的長度表示使用本實施方式的轉子15的旋轉電 機的扭矩脈動比。柱Lll、L21、Lol的長度表示總扭矩的扭矩脈動比。柱L12、L22、 Lo2的長度表示在基階(十八階)的情況下的扭矩脈動比的階分量比。柱L13、L23、Lo3 的長度表示在階為基階兩倍(三十六階)的情況下的扭矩脈動比的階分量比。柱L14、 L24、Lo4的長度表示在階為基階三倍大(五十四階)的情況下的扭矩脈動比的階分量 比。柱L15、L25、Lo5的長度表示在階為基階四倍大(七十二階)的情況下的扭矩脈動 比的階分量比。圖7C和7D是使用計算機進行FEM(有限元方法)分析的結果。盡管使用第二 比較轉子15B的旋轉電機中的總扭矩的扭矩波動(扭矩脈動)相比較于使用第一比較轉子 15A的旋轉電機中的輸出扭矩(下文稱為“總扭矩”)的扭矩脈動顯著減小，但是使用轉 子15的旋轉電機中的總扭矩的扭矩脈動相比較于在第二比較轉子15B的情況下的總扭矩 的扭矩脈動進一步減小。使用轉子15的旋轉電機中的扭矩的特定階 的扭矩脈動相比較于 在第二比較轉子15B的情況下的扭矩的特定階的扭矩脈動減小或相同。圖8A的圖示出了轉子15的旋轉位置與作用在一個齒121上的力一下文將稱為 齒扭矩一之間的關系。具體而言，所述圖示出了理想波形Δ和實際波形Ελ。理想 波形△和水平軸形成等腰三角形，從而在形成該等腰三角形的底邊的水平軸上的起始端 與終止端之間具有40°的角度。圖8Β的圖中示出的直線ΤΔ是通過合成所有齒121的 理想波形Δ而獲得的。g卩，如果由理想波形表示的齒扭矩作用在轉子15的每一個齒121 上，轉子15的總扭矩將是恒定的。結果，扭矩脈動變成零。圖8Α的圖中的實際波形Ελ示出了具有沿著其整個外圓周曲率半徑為R的圓周 表面的圓形轉子(未示出)的旋轉位置與作用在一個齒121上的齒扭矩之間的關系。圖 8Β的圖中示出的波形Te是通過合成所有齒121的實際波形Ελ而獲得的。S卩，如果作 用在各齒121上的齒扭矩是如由實際波形Ελ示出的力，則產(chǎn)生具有非零扭矩脈動的總扭 矩。實際波形Ελ的形狀變得更接近理想波形Δ的形狀時，扭矩脈動能夠減小。實際波形E λ在圖8Α的圖中在由第一圓Cl和第二圓C2表示的區(qū)域中從理想波 形Δ顯著向上偏移。由Cl和C2圈出的區(qū)域中的偏移變得更大時，扭矩波動變得更大。本發(fā)明人通過FEM分析發(fā)現(xiàn)，當轉子15沿如圖2所示的旋轉方向Y旋轉時，由 Cl和C2圈出的區(qū)域中產(chǎn)生的齒扭矩集中在轉子芯16的第一凹入部20Α處。基于FEM 分析的結果，第一凹入部20Α設置在齒扭矩集中的區(qū)域中。第一凹入部20Α增加了第一 凹入部20Α附近的磁阻。結果，圖8Α中示出的區(qū)域Cl和C2附近的實際波形Ελ變得 更接近理想波形Δ。圖10的圖示出了單個齒121的磁阻扭矩的變化。曲線Qrll示出了在圖7Β的第二比較轉子15B的情況下的磁阻扭矩的變化，而曲線Qr21示出了在圖9中示出的第三比 較轉子15C的情況下的磁阻扭矩的變化。 如圖9所示，第三比較轉子15C在其外圍表面上具有弧形凸出部27。各弧形凸 出部27具有從第三比較轉子15C徑向向外彎曲的圓周表面。各弧形凸出部27定位成在 第一圓弧部19A與同其相鄰的第二圓弧部19B之間連接。具體而言，弧形凸出部27將第一圓弧部19A的第一端193連接于第二圓弧部 19B的第二端192。弧形凸出部27的曲率半徑大于圓弧部19A、19B的曲率半徑R。轉 子芯16外圍上的弧形凸出部27全都具有相同的形狀和尺寸。各弧形凸出部27定位在包 括圓弧部19A和19B的假想圓周E的內(nèi)側、并且定位在連接第二圓弧部19B的第二端192 和第一圓弧部19A的第一端193的假想線H的外側。圖10的圖中的曲線Qrl 1和曲線Qrl2是使用計算機來執(zhí)行的FEM分析的示例。 FEM分析在以下條件下執(zhí)行角度寬度A = 28°，角度寬度0C=13°，橋狀件間角 eb = 5.2°，深度 Dh = 0.3mm，而半徑 R = 25.5mm。圖IlA的圖中的曲線Qrl2表示通過合成圖10中示出的相應的十八個齒121的 曲線Qrll而獲得的合成磁阻扭矩的波動。曲線Qr22表示通過合成圖10中示出的相應的 十八個齒121的曲線Qr21而獲得的合成磁阻扭矩的波動。圖IlB的圖中的曲線Qml表示在使用第二比較轉子15B的情況下的扭矩的波 動。永磁體17A、17B的扭矩下文中將稱為磁扭矩。曲線Qm2表示在使用第三比較轉 子15C的情況下的磁扭矩的波動。圖IlC的圖中的曲線Qlrm表示通過合成圖IlA的曲線Qrl2和圖IlB的曲線 Qml而獲得的扭矩波形。圖IlC的圖中的曲線Q2rm是通過合成圖IlA的曲線Qr22和 圖IlB的曲線Qm2而獲得的扭矩波形。S卩，曲線Qlrm是通過使用圖7B的第二比較轉 子15B進行FEM分析而獲得的扭矩波形，而曲線Q2rm是通過使用圖9的第三比較轉子 15C進行FEM分析而獲得的扭矩波形。將曲線Qrlm與曲線Qr2m比較，由曲線Qrlm表示的扭矩脈動明顯小于由曲線 Qr2m表示的扭矩脈動。在使用本實施方式的轉子15的情況下形成的扭矩脈動進一步小 于曲線Qlrm的扭矩脈動。當使用本實施方式的轉子15時，磁阻扭矩對總扭矩的影響程度小。本發(fā)明實施 方式省去了由日本專利申請公布Νο.2005-261024公開的任何輔助磁極。上述的本發(fā)明實施方式提供了如下有益效果。(1)在永磁體嵌入式旋轉電機的轉子15的布置一定位在凸出部21 —側上的第 一凹入部20Α在轉子15的圓周方向上相對于橋狀件25定位成靠近第一永磁體17Α的磁 極中心173并且定位在凸出部21另一側上的第二凹入部20Β在轉子15的圓周方向上相對 于橋狀件25定位成靠近第二永磁體17Β的磁極中心173—中，其扁平永磁體17Α和17Β 布置成旋轉對稱的永磁體嵌入式旋轉電機M的扭矩脈動得到抑制。(2)凸出部21的端部211和212的電角度θ 1在70°到80°的范圍內(nèi)。此外， 凹入部20Α的最深部23Α和凹入部20Β的最深部23Β的電角度θ 2在(θ 1-10° )到θ 1 的范圍內(nèi)。這種結構對于抑制永磁體嵌入式旋轉電機M的扭矩脈動特別有效。(3)在第一直線22Α與第一凸出曲線24Α之間形成的第一凹入曲線28Α、以及在第二直線22B與第二凸出曲線24B之間形成的第二凹入曲線28B有助于減輕凹入部20A 的最深部23A和凹入部20B的最深部23B上的應力集中。(4)凹入部20A和20B布置成關于二等分凸出部21的二等分線154彼此反射對 稱。這種布置無論轉子15的旋轉方向如何都在抑制扭矩脈動方面提供相同的效果。(5)具有以波形卷繞方式形成的三相線圈13的定子11在抑制永磁體嵌入式旋轉電機M的振動方面是有效的。本發(fā)明已在上述實施方式的情況下進行了描述，但其不限于所示出的實施方 式。顯然，本發(fā)明可以以如下文舉例的各種方式實施。在本實施方式的一種改型中，凹入部20A和20B可以分別省去直線22A和22B。 在這種情況下，凹入部20A和20B可以分別由凸出曲線24A和24B以及凹入曲線28A和 28B形成?？商娲?，可以使用任何凹入曲線或凸出曲線代替直線22A和22B?？梢允褂萌魏沃本€或凹入曲線代替凹入部20A的凸出曲線24A和凹入部20B的 凸出曲線24B?？商娲?，可以使用直線和凹入曲線的任何復雜形狀。凸出部21的端部211和212可以分別具有凹入部20A和20B的任何最深部。凹入部20A和20B可以關于二等分凸出部21的二等分線154彼此反射對稱。第一凸出曲線24A和第一圓弧部19A可以經(jīng)由任何凸出曲線、凹入曲線或直線 連接而非直接連接。非磁性材料可以布置在空氣間隙163A和163B中以便防止磁通短路。本發(fā)明除了可應用于具有六極和十八槽的永磁體嵌入式旋轉電機之外，還可應 用于(具有四極和十二槽、或八極和二十四槽等等的)永磁體嵌入式旋轉電機。
權利要求
1.一種永磁體嵌入式旋轉電機(M)，包括環(huán)形定子(11)，所述環(huán)形定子(11)在其內(nèi)圓周上具有齒(121)以在所述齒(121)之 間限定多個槽(122)，在所述槽(122)中具有線圈(13)；轉子(1 ，所述轉子(1 位于所述定子(11)內(nèi)，所述轉子(1 能夠繞軸線(C)旋 轉；以及多個扁平永磁體(17A，17B)，所述永磁體(17A，17B)以各永磁體(17A，17B)彼 此間隔開的方式旋轉對稱地嵌入在所述轉子(1 中；其中，在兩個相鄰的永磁體(17A，17B)的相對的磁極端(171，172)之間關于所述 軸線(C)以角度位置(9 b)在所述轉子(1 中設置有橋狀件05)，所述永磁體嵌入式旋轉電機(M)的特征在于所述轉子(巧)在其外圍上具有多對凹入部(20A，20B)以及多個凸出部01)，各個 所述凸出部位于一對凹入部OOA，20B)之間，所述凹入部OOA，20B)形成于相應 且相鄰的所述磁極端(171，172)的徑向外側處，所述凸出部的外表面形成于所述凹 入部(20A，20B)的最深部(23A，23B)的徑向外側處，所述一對凹入部(20A，20B)在 所述轉子(15)的圓周方向上與另一對凹入部(20A，20B)間隔開，其中各永磁體(17A，17B)具有在所述磁極端(171，172)之間的磁極中心(173)，并且所述永磁體(17A，17B)的磁極端(171，172)的徑向外側處的各凹入部OOA，20B) 定位成在所述轉子的圓周方向上相比于與所述永磁體(17A，17B)鄰近的所述橋狀件 (25)更靠近同一永磁體(17A，17B)的磁極中心(173)。
2.如權利要求1所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，各橋狀件05)關 于所述轉子(15)的軸線(C)的所述角度位置(9 b)的范圍處在所述凸出部關于所述 轉子(15)的軸線(C)的寬度的角度位置的范圍內(nèi)。
3.如權利要求1或2所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，所述轉子(15) 具有其中心位于所述轉子(15)的軸線(C)處的多個圓弧部(19A，19B)，其中，各圓弧 部(19A，19B)形成于各永磁體(17A，17B)的磁極中心(173)的徑向向外外圍位置處， 所述圓弧部(19A，19B)在所述轉子(15)的圓周方向上彼此間隔開，兩個圓弧部(19A， 19B)連接于所述一對凹入部(20A，20B)。
4.如權利要求3所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，所述凸出部 的各外表面位于假想圓周(E)的徑向內(nèi)側，所述假想圓周在所述轉子(1 的圓周方向上 從所述圓弧部(19A，19B)延伸。
5.如權利要求3所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，各凹入部(20A， 20B)通過連接于所述凸出部的平坦部Q2A，22B)、連接于所述圓弧部(19A，19B) 的凸曲線部04A，24B),以及連接于所述平坦部02A，22B)和所述凸曲線部Q4A， 24B)的凹曲線部08A，28B)的組合而形成，其中，各凹入部(20A，20B)的最深部 (23A, 23B)位于所述凸曲線部04A，24B)與所述凹曲線部08A，28B)之間。
6.如權利要求1或2所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，所述凸出部 (21)的各外表面由平坦表面形成。
7.如權利要求1或2所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，各凸出部 的端部011，212)關于所述轉子(15)的軸線(C)從半徑線(151)起測量得到的電角 2Θ1在70°到80°的范圍內(nèi)，其中所述半徑線(151)穿過所述永磁體(17A，17B)的磁極 中心(173)并且最靠近所述凸出部的該端部011，212)，其中，各凹入部(20A， 20B)的最深部03A，23B)關于所述轉子(15)的軸線(C)從所述半徑線(151)起測量得 到的電角度θ 2在(θ 1-10° )到Θ1的范圍內(nèi)。
8.如權利要求1或2所述的永磁體嵌入式旋轉電機(M)，其特征在于，所述成對的凹 入部(20Α，20Β)布置為關于二等分對應的所述凸出部的二等分線(154)成彼此反 射對稱。
全文摘要
一種永磁體嵌入式旋轉電機，所述旋轉電機包括轉子和多個扁平永磁體。所述轉子在其外圍具有多對凹入部以及多個凸出部。各個所述凸出部位于一對凹入部之間。所述凹入部形成于所述永磁體的相應且相鄰的磁極端的徑向外側處。在兩個相鄰的永磁體的相對的磁極端之間關于所述轉子的軸線以一角度位置設置有橋狀件。所述永磁體的磁極端的徑向外側處的各凹入部定位成在所述轉子的圓周方向上相對于與所述永磁體鄰近的所述橋狀件靠近同一永磁體的磁極中心。
文檔編號H02K21/14GK102025247SQ201010281549
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權日2009年9月14日
發(fā)明者安谷屋拓, 深作博史, 米良實 申請人:株式會社豐田自動織機